[논문]ZnSe/CdSe/ZnSe 단일양자우물의 광발광 특성

박재규; 오병성; 유영문; 윤만영; 김대중; 최용대

doi:10.5757/jkvs.2007.16.3.192

ZnSe/CdSe/ZnSe 단일양자우물의 광발광 특성
Photoluminescence of ZnSe/CdSe/ZnSe Single Quantum Well 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.16 no.3, 2007년, pp.192 - 196

박재규 (충남대학교 물리학과) , 오병성 (충남대학교 물리학과) , 유영문 (국가기록원 프로세스혁신팀) , 윤만영 (중부대학교 정보통신학과) , 김대중 (목원대학교 테크노과학연구소) , 최용대 (목원대학교 광전자물리학과)

초록
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Hot wall epitaxy 방법으로 우물층의 두께를 바꾸어가며 ZnSe/CdSe/ZnSe 단일 양자우물을 성장하였다. 양자우물층의 두께는 TEM을 이용하여 측정하였다. 광발광의 세기와 반치폭의 변화로부터 양자우물층의 임계두께는 약 $9{\AA}$임을 알 수 있었다. 우물층의 두께가 임계두께 보다 작을 때 광발광과 PLE 스펙트럼의 비교로부터 stoke's shift를 확인하였고, 이는 엑시톤 결합 에너지에 의한 것임을 알 수 있었다. 우물층의 두께에 대한 광발광 피크의 에너지 이동은 이론치와 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

ZnSe/CdSe/ZnSe single quantum wells with different well thickness were grown by hot wall epitaxy. The quantum well thicknesses were measured by TEM. The critical thickness of single quantum well layer was found to be about $9{\AA}$ from the intensities and the full-width at half maximum of photoluminescence(PL) spectra. When the thickness of quantum wells was less than the critical thickness, the Stoke's shift was confirmed from the comparison between PL and photoluminescence excitation spectra, and it may be due to the exciton binding energy. The PL peak energy dependence on the quantum well thickness was coincident with the theoretical values.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

따라서 ZnSe를 장벽층 물질로, CdSe를 우물층 물질로 하는 type-I 인 CdSe/ZnSe 양자우물 구조를 성장하는 것이 가능하다. GaAs(100) 기판 위에 Cd Se 층의 두께를 바꾸어가며 ZnSe/CdSe/ZnSe 단일양자우물(single quantum well, SQW) 구조를 성장하였다. 우물층의 두께는 tunneling electron microscopy(TEM)를 즉정하여 결정하였고, 광발광 특성 및 photoluminescence excitation (PLE)를 측정하였다.
광발광 측정을 위하여 여기광으로 He-Cd 레이저(325 nm)를 사용하였고, PLE 측정을 위해서는 Xenon Lamp(lOOOW)를 사용하였다. 냉각 장치로는 헬륨 기체 순환 폐쇄 저온 장치를 사용하였고, 광발광 신호를 검출하기 위해 초점거리 0.85 m인 이중 분광기(double monochromator)와 PMT(photo-multiplier tube)를 시용하였다.
본 연구에서는 CdSe/ZnSe 단일 양자우물을 우물 층의 두께를 바꾸어 가며 성장하였고, tunneling electron mi- croscopy(TEM)으로 구조적 특성과 광발광, photolu minescence excitation(PLE) 등을 즉정하여 광학적 특성을 조사하였다.
GaAs(100) 기판 위에 Cd Se 층의 두께를 바꾸어가며 ZnSe/CdSe/ZnSe 단일양자우물(single quantum well, SQW) 구조를 성장하였다. 우물층의 두께는 tunneling electron microscopy(TEM)를 즉정하여 결정하였고, 광발광 특성 및 photoluminescence excitation (PLE)를 측정하였다. 광발광 측정을 위하여 여기광으로 He-Cd 레이저(325 nm)를 사용하였고, PLE 측정을 위해서는 Xenon Lamp(lOOOW)를 사용하였다.
단일 양자 우물을 성장하였다. 우물층의 성장률은 TEM을 측정하여 0.8 A/s로 결정하였다. 우물 층에 의한 피크의 위치는 우물층의 두께가 얇을수록 높은 에너지로 이동(청색천이)하였다.

대상 데이터

우물층의 두께는 tunneling electron microscopy(TEM)를 즉정하여 결정하였고, 광발광 특성 및 photoluminescence excitation (PLE)를 측정하였다. 광발광 측정을 위하여 여기광으로 He-Cd 레이저(325 nm)를 사용하였고, PLE 측정을 위해서는 Xenon Lamp(lOOOW)를 사용하였다. 냉각 장치로는 헬륨 기체 순환 폐쇄 저온 장치를 사용하였고, 광발광 신호를 검출하기 위해 초점거리 0.

이론/모형

Hot wall epitaxy 방법으로 우물층의 두께가 다른 CdSe/ZnSe 단일 양자 우물을 성장하였다. 우물층의 성장률은 TEM을 측정하여 0.
네모난 양자우물을 가정하고, 유효 질량 근사법(effective mass approximation)을 이용하여 전자와 양공간의 에너지를 계산하였으며 관계식은 다음과 같다.

성능/효과

양자우물의 광발광 반치폭 및 세기는 9 A을 기준으로 급격히 증가 및 감소하였고, 이로부터 임계두께를 약 9 A으로 결정하였다. PLE와 광 발광스펙트럼의 비교로부터 우물층의 두께가 7.2 A 인 단일 양자 우물의 Stoke's shift가 25 meV임을 알 수 있었다. 우물 층의 두께에 따른 광발광 피크의 이동은 이론치와 잘 일치하였다.
그림에서 보는 것처럼 계산 결과와 실험결과는 잘 일치하며, 이것으로부터 광발광은 el-hhl transition임을 알 수 있었다.
765 eV이다. 따라서 ZnSe를 장벽층 물질로, CdSe를 우물층 물질로 하는 type-I 인 CdSe/ZnSe 양자우물 구조를 성장하는 것이 가능하다. GaAs(100) 기판 위에 Cd Se 층의 두께를 바꾸어가며 ZnSe/CdSe/ZnSe 단일양자우물(single quantum well, SQW) 구조를 성장하였다.
그림 2(b)에서 9 A 이상에서 광발광 반치폭과세기의 큰 변화는 우물층의 두께가 임계두께 이상이 되면서 결정성이 나빠진 것이 원인이다. 따라서 본 연구의 CdSe/ZnSe 단일양자 우물구조에서의 임계두께는 9 A 근처임을 알 수 있었다.
우물 층에 의한 피크의 위치는 우물층의 두께가 얇을수록 높은 에너지로 이동(청색천이)하였다. 양자우물의 광발광 반치폭 및 세기는 9 A을 기준으로 급격히 증가 및 감소하였고, 이로부터 임계두께를 약 9 A으로 결정하였다. PLE와 광 발광스펙트럼의 비교로부터 우물층의 두께가 7.
우물층의 두께가 9 A 이하일 때 광발광 피크의 반치폭은 20 〜 40 meV 로 작았으며, 광발광 세기도 크게 나타났다. 이로부터 우물층의 두께가 9 A 이하일 때 양질의 양자 우물이 제작됨을 알 수 있었다.
안이 빈 점(□)은 광발광 피크의 반치폭인데 일정한 값을 유지하다가 9 A이상에서 급격히 증가하여 16 A 이상에서는 거의 변화가 없었다. 이로부터 우물 층의 두께가 9 A 일 때를 기준으로 광발광 세기와 반치폭이 크게 변화하는 것을 알 수 있었다. CdSe의 격자상수는 6.

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